Обогащение урана — технологический процесс увеличения доли изотопа уране. В результате природный уран разделяют на обогащенный уран и обедненный уран.
В природном уране содержится три изотопа урана: 238 U (массовая доля 99,2745 %), 235 U (доля 0,72 %) и 234 U (доля 0,0055 %). Изотоп 238 U является относительно стабильным изотопом, не способным к самостоятельной ядерной реакции, в отличие от редкого 235 U. В настоящее время 235 U является первичным делящимся материалом в цепочке технологий ядерных реакторов и ядерного оружия. Однако для многих применений доля изотопа 235 U в природном уране мала и подготовка ядерного топлива обычно включает стадию обогащения урана.
- 1 Степени обогащения урана
- 2 Технологии
- 3 Производство обогащенного урана в мире
- 4 См. также
- 5 Примечания
- 6 Ссылки
- 7 Комментарии читателей:
Степени обогащения урана [ ]
Основная статья: [1] Большинство методов основано на разной массе атомов разных изотопов: 235-й немного легче 238-го из-за разницы в количестве нейтронов в ядре. Это проявляется в разной инерции атомов. Например, если заставить атомы двигаться по дуге то тяжелые будут стремиться двигаться по большему радиусу чем легкие.
Рафаэль Арутюнян — Обогащение урана
На этом принципе построены электромагнитный и аэродинамический методы. В электромагнитном методе ионы урана разгоняются в ускорителе элементарных частиц и закручиваются в магнитном поле. В аэродинамическом методе газообразное соединение урана продувается через специальное сопло-улитку.
Похожий принцип в газовом центрифугировании: газообразное соединение урана помещается в центрифугу, где инерция заставляет тяжелые молекулы концентрироваться у стенки центрифуги. Термодиффузионный и газодиффузионный методы используют разницу в подвижности молекул: молекулы газа с легким изотопом урана более подвижны чем тяжелые. Поэтому они легче проникают в мелкие поры специальных мембран при газодиффузионной технологии. При термодиффузионном методе менее подвижные молекулы концентрируются в более холодной нижней части разделительной колонны, вытесняя более подвижные в верхнюю горячую часть. Большинство методов разделения работают с газообразными соединениями урана, чаще всего с UF6 .
Многие из методов пытались использовать для промышленного обогащения урана, однако в настоящее время практически все мощности по обогащению работают на основе Производство обогащенного урана в мире [ ]
Работы по разделению изотопов исчисляются в специальных единицах работы разделения (ЕРР, англ. Separative work unit, SWU ). Шаблон:Мировые мощности по разделению изотопов
См. также [ ]
- Ядерная энергия
- Примечания [ ]
- ↑Удешевление обогащения. Атомный эксперт. Обзор истории и технологий обогащения урана.
Ссылки [ ]
- Мировой рынок ядерного топлива, Cambridge, 2013.
- Уран
- Глоссарий терминов // Minatom
- Справка: обогащение урана
- The Radioactive Boy Scout. Ken Silverstein. (перев. рус.)
Источник: science.fandom.com
Обогащение урана 1
Зачем нужно обогащать уран? Подробный разбор
В статье рассказывается о том, зачем обогащать уран, что это такое, где добывается, его применения и из чего состоит процесс обогащения.
Начало атомной эры
Такое вещество как уран известно людям с самой глубокой древности. Но в отличие от нашего времени, использовали они его лишь для создания специальной глазури для керамики и некоторых видов краски. Использовалась для этого природная окись урана, залежи которого можно найти в тех или иных количествах почти на всех континентах мира.
Гораздо позже этим элементом заинтересовались и химики. Так, в 1789 году немецкому ученому Мартину Клапроту удалось получить оксид урана, который по своим параметрам был похож на металл, но им не являлся. И лишь в 1840 году французский химик Пелиго синтезировал настоящий уран — тяжелый, серебристый и радиоактивный металл, который Дмитрий Менделеев внес в свою таблицу периодических элементов. Так для чего нужно обогащать уран и как это происходит?
Наше время
По сути, природная урановая руда мало чем отличается от остальных. Это массивные булыжники ржавого цвета, которые добывают в шахтах самым обычным способом — взрывают пласты залежей и транспортируют на поверхность для последующей обработки. Дело в том, что природное это вещество содержит в себе всего лишь 0,72 % изотопа U235. Этого недостаточно для применения в реакторах или оружии, и потом после сортировки его переводят в газообразное состояние и начинают обогащать уран.
Вообще, методов этого процесса существует много, но самым перспективным и используемым в России является газовое центрифугирование.
В специальные установки закачивается газообразное соединение урана, после чего те раскручиваются до огромных скоростей и происходит отделение более тяжелых молекул от легких и группирование их у стенок барабана.
Экспорт
Если приводить упрощенный пример, то обогащение этого элемента по сути своей чем-то напоминает производство железа – в изначальном, природном виде это ни на что не годные куски руды, которые потом различной обработкой превращают в крепкую сталь.
Также в прессе часто можно услышать тот факт, что многие менее развитые по сравнению с той же Россией страны часто задаются вопросом, как сделать обогащенный уран?
Дело в том, что процесс этот если приводить пример с газовым центрифугированием очень сложный, и построить подобные установки могут далеко не все. Тем более, нужна не одна-единственная штука, а целый их каскад. Для того, чтобы осознать их технический уровень, стоит сказать, что вращаются эти «барабаны» со скоростью 1500 оборотов в минуту и без остановки. Рекорд – 30 лет! Потому, некоторые страны закупают обогащенный уран в России.
Где добывают уран в России?
Добыча 93% урановой руды производится в Забайкалье, рядом с городом Краснокаменск. А обогащенный уран в России производит «ОАО ТВЭЛ».
Применение
С процессом превращения в высокоэффективное соединение разобрались, но зачем он нужен? Разберем два самых основных направления.
Первое, это конечно же, атомные реакторы. Они дают электричество целым городам, питают автономные космические аппараты для исследования дальних уголков нашей солнечной системы, стоят на подводных лодках, ледоколах, исследовательских кораблях.
Второе, это оружие массового поражения. Правда стоит уточнить – именно уран в бомбах давно уже не применяется, ему на смену пришел оружейный плутоний. Добывается он посредством специального облучения в реакторах низкообогащенного урана.
Мифы и интересные факты
Часто еще в годы СССР бытовало мнение, что особо опасных преступников или «врагов народа» ссылают на урановые шахты, чтобы те своим скоротечным трудом искупили вину. И естественно, долго они там не задерживались из-за радиации.
На самом деле это не так. Никакой особой опасности в работе на такой добыче нет, природная руда мало радиоактивна, и человек, если его поместить безвылазно в шахту, погибнет скорее от недостатка солнца и свежего воздуха, чем лучевой болезни.
Тем не менее, условия труда у рабочих щадящие, всего 5 часов в день, и многие работают там целыми поколениями, развенчивая миф о страшной губительности такого производства.
А из обедненного урана, кстати, делают сердечники оружейных снарядов. Дело в том, что уран намного тяжелее и прочнее свинца, в результате чего такие поражающие элементы эффективнее, да и еще имеют свойство воспламеняться в результате разрушения, после механического воздействия на них.
Так что мы разобрались с тем, зачем нужен обогащенный уран, где он применяется и с какой целью.
Источник: fb.ru
Зачем нужно обогащать уран — особенности, описание технологии и отзывы
Ядерное оружие, хотим мы этого или нет, – реальность, с которой живет человечество с середины прошлого века. Ядерные реакторы, как бы не выступали критики атомной энергетики, вносят значительный вклад в энергосистемы разных стран. И там, и там применяется радиоактивный материал. В основном это уран, 92-й элемент таблицы Менделеева.
Различные новостные источники регулярно вещают со своих страниц о том, что то или иное государство начало обогащать уран. Почему это так беспокоит мировую общественность, что в этом страшного и как происходит это самое обогащение?
Чем же так страшен обогащенный уран
Уран или оружейный плутоний опасны в чистом виде по одной простой причине: из них при наличии определенной технической базы можно изготовить взрывное ядерное устройство.
На рисунке представлено схематическое изображение простейшей ядерной боеголовки. Заготовки 1 и 2 из ядерного топлива находятся внутри оболочки. Каждая из них составляет одну из частей целого шара и весит немного меньше критической массы используемого в бомбе оружейного металла.
При подрыве тротилового детонирующего заряда урановые слитки 1 и 2 соединяются в одно целое, их общая масса уверенно превышает критическую массу для данного материала, что приводит к цепной ядерной реакции и, соответственно, к атомному взрыву.
Казалось бы, ничего сложного, но на самом деле это, конечно же, не так. В противном случае стран, располагающих ядерным оружием, было бы на планете на порядок больше. Более того, сильно возрос бы риск попадания таких опасных технологий в руки достаточно мощных и развитых террористических группировок.
Весь фокус в том, что обогащать уран, даже при нынешнем развитии техники, в состоянии только очень богатые державы, обладающие развитой научной инфраструктурой. Еще сложнее, без чего атомное устройство не будет работать, разделить 235 и 238 изотопы урана.
Урановые рудники: правда и вымысел
В СССР на обывательском уровне бытовала гипотеза о том, что в урановых шахтах работают обреченные на смерть преступники, таким образом искупая свою вину перед партией и советским народом. Это, конечно же, не правда.
Добыча урана – высокотехнологичная отрасль горнодобывающей промышленности, и отпетых убийц с разбойниками вряд ли кто-то допустил бы к работе со сложным и очень дорогим оборудованием. Более того, слухи о том, что добывающие уран шахтеры в обязательном порядке носят противогаз и свинцовое нижнее белье, также не более чем миф.
Добывается уран в шахтах глубиной иногда до километра. Самые большие запасы этого элемента обнаружены в Канаде, России, Казахстане и Австралии. В России из одной тонны руды получается в среднем около полутора килограмм урана. Это отнюдь не самый большой показатель. В некоторых европейских рудниках эта цифра доходит до 22 кг из тонны.
Радиационный фон в шахте примерно такой же, как и на границе стратосферы, где латают гражданские пассажирские самолеты.
Урановая руда
Обогащать уран начинают сразу после добычи, непосредственно возле шахты. Кроме металла, как и любая другая руда, урановая содержит пустую породу. Первоначальный этап обогащения сводится к сортировке поднятых из шахты булыжников: на богатые ураном и бедные. Буквально каждый кусок взвешивается, измеряется автоматами и, в зависимости от свойств, направляется в тот или иной поток.
Затем в дело вступает мельница, измельчающая богатую ураном руду в мелкий порошок. Однако это пока не уран, а всего лишь его оксид. Получение же чистого металла – сложнейшая цепочка химических реакций и превращений.
Однако мало просто выделить чистый металл из исходных химических соединений. Из всего содержащегося в природе урана 99 % занимает изотоп 238, его 235-му собрату остается менее одного процента. Их разделение – сложнейшая задача, решать которую под силу далеко не любой стране.
Газодиффузионный способ обогащения
Это первый способ, с помощью которого стали обогащать уран. Применяется до сих пор в США и Франции. Основан на разнице плотности 235 и 238 изотопов. Урановый газ, выделенный из оксида, под большим давлением закачивается в камеру, разделенную мембраной.
Атомы 235 изотопа более легкие, поэтому от полученной порции тепла движутся быстрее «медлительных» атомов 238 урана, соответственно, чаще и интенсивнее бьются о мембрану. По законам теории вероятности имеют больше шансов угодить в одну из микропор и оказаться на другой стороне этой самой мембраны.
Эффективность такого метода невелика, ведь разница между изотопами очень и очень незначительна. Но как сделать обогащенный уран, пригодный для использования? Ответ – применяя этот метод много и много раз. Для того чтобы получить пригодный для изготовления топлива реактора электростанции уран, система очистки газодиффузионным способом повторяется несколько сотен раз.
Отзывы экспертов об этом методе неоднозначны. С одной стороны, газодиффузионный способ сепарации – первый, обеспечивший Соединенные Штаты высококачественным ураном, сделавший их на время лидером в военной сфере. С другой, считается, что газовая диффузия дает меньше отходов. Единственное, что подводит в данном случае, – высокая цена конечного продукта.
Центрифужный метод
Это разработка советских инженеров. В настоящее же время кроме России имеется целый ряд стран, где обогащают уран методом, открытым в СССР. Это Бразилия, Великобритания, Германия, Япония и некоторые другие государства. Метод схож с газодиффузионной технологией тем, что использует разницу масс 235 и 238 изотопов.
Урановый газ закручивается в центрифуге до 1500 оборотов в секунду. Благодаря разной плотности на изотопы действуют центробежные силы разной величины. Уран 238, как более тяжелый, скапливается у стенок центрифуги, в то время как 235-й изотоп собирается ближе к центру. Смесь газов закачивается в верхнюю часть цилиндра. Пройдя путь до нижней части центрифуги, изотопы успевают частично разделиться и отбираются отдельно.
Несмотря на то что метод так же не дает 100%-ного разделения изотопов, и для достижения необходимой степени обогащения должен применяться многократно, экономически он гораздо эффективнее газодиффузионного. Так, обогащенный уран в России по технологии использования центрифуг примерно в 3 раза дешевле полученного на американских мембранах.
Применение обогащенного урана
Для чего же вся эта сложная и дорогая волокита с очисткой, выделением металла из окислов, разделением изотопов? Одна шайба обогащенного урана 235, из тех, что используются в атомной энергетике (из таких «таблеток» набирают стержни – ТВЭЛы), весом в 7 грамм заменяет примерно три 200-литровые бочки бензина или около тонны угля.
В зависимости от чистоты и соотношения содержания 235 и 238 изотопов обогащенный и обедненный уран применяется по-разному.
Изотоп 235 – более энергоемкое топливо. Обогащенным уран считается при содержании 235 изотопа более 20 %. Это основа ядерного оружия.
Также обогащенное энергонасыщенное сырье используется как топливо для ядерных реакторов в подводных лодках и на космических аппаратах из-за ограниченности массы и размеров.
Обедненный уран, содержащий в основном 238 изотоп, – топливо для стационарных атомных реакторов гражданского назначения. Реакторы на природном уране считаются менее взрывоопасными.
Кстати, по расчетам российских экономистов, при сохранении нынешних темпов добычи 92 элемента периодической таблицы, уже к 2030 году начнут истощаться его запасы в разведанных рудниках по всему миру. Вот почему ученые с надеждой смотрят на термоядерный синтез как на источник дешевой и доступной энергии в будущем.
Источник: www.syl.ru